En las últimas décadas, fracturamiento hidráulico o "fracking, "un método de extracción de petróleo y gas, ha revolucionado la industria energética mundial. Consiste en fracturar la roca con un líquido presurizado o "fluido de fracking" (agua que contiene arena suspendida con la ayuda de agentes espesantes) para extraer pequeños depósitos de petróleo y gas atrapados en formaciones de piedra.

Después de que las moléculas de agua del fluido de fracturación hidráulica se inyectan en estas formaciones, se elevan por los muros de piedra de los pequeños canales por donde han desembocado. Luego pueden someterse a "imbibición, "un tipo de difusión que implica que se absorban a través de nanoporos en los bolsillos vecinos donde residen el petróleo y el gas. A medida que se absorben las moléculas de agua, las moléculas de petróleo y gas se desplazan y luego se pueden bombear a la superficie. Esta actividad es impulsada por la fuerza capilar entre el agua y el aceite, que resulta de la tensión generada en la interfaz o punto donde los dos fluidos se encuentran.

Los científicos normalmente han calculado el nivel esperado de aumento capilar en estas condiciones con la ecuación de Lucas-Washburn, un modelo matemático cuyos primeros parámetros se idearon por primera vez hace casi un siglo. El reto, sin embargo, es que la ecuación no ha sido completamente precisa para predecir el aumento real observado en experimentos de laboratorio nanocapilares.

"La altura de la elevación capilar que se observó en estos experimentos fue menor de lo que habría predicho el modelo de Lucas-Washburn, "explicó Anqi Shen, estudiante de doctorado en la Northeast Petroleum University de China que trabaja en estrecha colaboración con Yikun Liu, un profesor de la universidad. "Comprender qué estaba causando esta desviación se convirtió en un punto de enfoque importante para mis colegas y para mí".

Los investigadores describen sus hallazgos esta semana en la revista. Letras de física aplicada .

"Se han ofrecido muchas explicaciones para la elevación capilar inferior a la esperada. Un área de discusión se ha centrado en la viscosidad del fluido. Otra ha sido las capas pegajosas de aceite que se forman en las paredes de los capilares y estrechan su diámetro. que es un tema que también hemos explorado, "Shen dijo, cuyo trabajo también está financiado por el Programa de Grandes Proyectos para la Ciencia y Tecnología Nacional de China.

"Analizamos muchos factores y descubrimos que la rugosidad de la superficie de los capilares era la razón principal del resultado inferior al esperado. Específicamente, nos dimos cuenta de que el modelo podría determinar mejor el nivel real de elevación capilar si ajustamos los parámetros para tener en cuenta el arrastre por fricción causado por la rugosidad inherente de la superficie de las paredes capilares. Cuando vimos cómo esto hizo que el modelo fuera más preciso, sabíamos que no podíamos ignorarlo, "Dijo Shen.

Es más, El tamaño minúsculo de los capilares significa que incluso pequeños aumentos en la rugosidad de la superficie pueden tener un impacto significativo en los cálculos.

"Los factores que podrían ignorarse en condiciones normales pueden tener efectos significativos a nivel micro o nano. Por ejemplo, una rugosidad relativa del 5 por ciento, en un tubo con un radio de 100 cm donde la altura del obstáculo es de 5 cm apenas afecta el flujo de fluido en el tubo. Sin embargo, con un radio de tubo de 100 nm y una altura de obstáculo de 5 nm, podría afectar significativamente el flujo de fluido en el tubo, "Dijo Shen.

En la actualidad, solo hay unos pocos laboratorios que llevan a cabo experimentos de ascenso nanocapilar. Como resultado, Shen y sus colegas solo pudieron trabajar con los resultados de un laboratorio en los Países Bajos. Avanzando, pretenden verificar su fórmula matemática examinando su eficacia para simular los resultados de otros experimentos.

Aunque la investigación de Shen se centra en el desarrollo de petróleo y gas, ella y sus colegas esperan que su trabajo pueda ser de utilidad para los científicos que trabajan en otros campos.

"La elevación capilar es básica, Fenómeno físico que ocurre en el suelo, papel, y otros reinos biológicamente relevantes, ", Dijo Shen." Comprender cómo se ve potencialmente afectado a nivel nano-capilar por la fricción podría arrojar luz en una variedad de disciplinas científicas ".